WO2020064099A1 - Verfahren zum halten der drehstellung eines mit einem externen moment beaufschlagten läufers einer permanenterregten drehstrommaschine mit einem sanftstarter und drehstrommaschine - Google Patents

Verfahren zum halten der drehstellung eines mit einem externen moment beaufschlagten läufers einer permanenterregten drehstrommaschine mit einem sanftstarter und drehstrommaschine Download PDF

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Hauke NANNEN
Heiko Zatocil
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Siemens Aktiengesellschaft
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Definitions

  • a three-phase machine converts mechanical energy into three-phase current or three-phase current into mechanical energy. In principle, it can be operated as an electric generator or as an electric motor. Measures to limit the power when switching on an electrical device, for example an electrical motor, are referred to as soft starting.
  • PMSM permanent magnet synchronous machine
  • FIG. 1 shows a schematic representation of such a permanently excited synchronous machine M, in the embodiment as an inner pole machine with a stator St and a rotor L.
  • the rotor comprises a magnetic north pole N and south pole S.
  • the stator St includes winding strands U, V, W.
  • the representation is to be understood only as an example and has no restrictive effect on the scope of protection of the claimed subject matter.
  • a damper cage can be provided in the rotor of the machine, which, although it does allows running on the rigid network, but the feeding network is heavily burdened by very high starting currents.
  • a suitable power electronic actuator such as a frequency converter or soft starter
  • a soft starter also called a soft starter
  • Such a smooth start is, however, often only possible in the no-load condition or at low load.
  • the encoder system has a negative impact on the cost and availability of the system, which currently makes a soft starter solution unattractive for highly efficient motors. From the- For this reason, a procedure for starting up without an encoder should be sought.
  • the required method differs from the sensorless method known in the prior art in that it must be usable for a thyristor controller and not for a frequency converter. Thus, these known procedures are not applicable.
  • a method for maintaining the rotational position of a rotor which is subjected to an external moment in a permanently excited three-phase machine with a soft starter.
  • the external moment is in particular a moment of a load, e.g. a weight of the load or moment of inertia of a device moved by the rotor.
  • the method comprises the following steps: S1) applying two phases of the three-phase machine with current pulses; S2) determining at least one electrical parameter of the three-phase machine; S3) evaluation of the at least one electrical characteristic variable in order to infer a static or a rotating state of the rotor as a function of a value or a temporal value profile of the at least one electrical characteristic variable; and S4) if it is determined in step S3 that the rotor is in a rotating state, initiating countermeasures.
  • the method enables, in particular short-term, holding a shaft position of a shaft that is connected to the rotor in a rotationally fixed manner.
  • This can e.g. used for lifting operations when a mechanical brake is opened but has not yet been completely released.
  • the shaft can be kept electrically for a short time to enable safe opening of the mechanical brake.
  • the method can also be used to hold a shaft, which is connected to the rotor in a rotationally fixed manner and whose speed is reduced to zero, before the intervention of a mechanical brake. As a result, the wear of the mechanical brake can be reduced, since the mechanical brake is only actuated when the rotor or the shaft is at a standstill.
  • the method thus makes it possible to improve the transition when the mechanical brake is opened or closed.
  • the method can be used when moving vertical or horizontal loads, e.g. in an elevator, a conveyor belt or a pallet conveyor.
  • the amplitude of the current pulses is determined as an electrical parameter. Located if the rotor is in a static state, the amplitude of the current pulses does not change. If the rotor is turned towards it by the external load, this is noticeable in a change in the current amplitude. The evaluation of the temporal change in the amplitude of the current pulses thus enables the conclusion whether the rotor is rotated by the external load or not, without further sensor technology.
  • a voltage induced in the phases of the three-phase machine is determined as an electrical characteristic. If the rotor is in a static state, no voltage can be measured in the phases of the three-phase machine during the principle of the blocking time of the thyristors of the SanftStarter. On the other hand, during a rotation of the rotor caused by the external load, a voltage is induced in the phases of the three-phase machine, the presence and amount of which is determined. The evaluation of the presence and the change over time of the induced voltage thus enables the conclusion whether the rotor is rotated by the external load or not, without any further sensors.
  • the electrical characteristic variable is preferably determined after a predetermined time has elapsed, in which the system “swings in”.
  • the predetermined time can be, for example, between 50 msec and 200 msec.
  • Both of these methods can be combined with each other to increase the security of the decision about a static or rotating rotor.
  • the initiation of countermeasures in step S4) ie upon the detection of a rotation of the rotor caused by the external load, comprises increasing the amplitude of the current pulses. This can counteract the torque generated externally by the load, so that holding the load without a mechanical brake is made possible or at least attempted.
  • the initiation of countermeasures in step S4) can alternatively include the output of a control signal for closing the mechanical brake.
  • a further embodiment provides that as step Sla between step S1 and S2 the output of a control signal for releasing the mechanical brake takes place.
  • This configuration is useful if the rotor is to change from a standstill to a rotating state, e.g. when starting an elevator or conveyor belt.
  • steps S1 to S4 are carried out when a predetermined end position is detected when the rotor is rotating. This configuration is useful if the rotor is to change from a rotating state to a standstill, e.g. when braking a lift or conveyor belt.
  • a control signal for closing the mechanical brake can be output.
  • control device for a three-phase machine with a soft starter which is characterized in that it is set up to carry out the method described herein. This is associated with the same advantages as those described in connection with the inventive method.
  • a three-phase machine with a soft starter is also proposed. This is designed to carry out the method described here, whereby a holding of the three-phase machine is made possible.
  • 1 shows a section through an exemplary three-phase machine.
  • Fig. 2 is a schematic representation of the invention
  • Figure 3 is a diagram of the current direction with discrete current space pointers.
  • Fig. 5 curves over time of the mains voltage, the motor
  • FIG. 6 shows a flow chart of the method according to the invention.
  • Figure 2 shows the basic desired structure of the three-phase machine designed as a permanently excited synchronous machine M with soft starter SS (eg Sirius soft starter) without encoder and with encoder G on the left.
  • the three-phase machine can be designed, for example, as an inner pole machine with a stator St and a rotor L.
  • the rotor L comprises a magnetic north pole N and south pole S.
  • the stator St comprises winding strands U, V, W.
  • the rotor L can, for example, be connected in a rotationally fixed manner (or via a gear) to a shaft, not shown, which is generated by an external load is loaded with a, in particular constant, moment.
  • the load can be held by controlling the three-phase machine M by means of the SanftStarter SS.
  • the method can be used for the movement of vertical or horizontal loads, for example in an elevator, a conveyor belt or a pallet conveyor. The method enables an improved transition when opening or closing a mechanical brake.
  • the method described in more detail below uses a method described by the applicant in WO 2018/072810 A1, by means of which a current space vector with a fixed angle and pulsating amplitude can be generated with the aid of the SanftStarters SS in order to apply a torque which is of the same size as that of the external one Load corresponds and counteracts this.
  • the machine is subjected to pulsating currents in a defined direction and aligned by them in a clear direction.
  • the current profile is also analyzed so that it can be determined whether the machine is moving at all. The individual steps are explained in more detail below.
  • An equally aligned field is built up in the machine by the current flow in one of the six possible directions. If the flow axis of the machine is not in this direction determined by the current, a torque is generated and the machine begins to turn in the direction of the stator current space pointer - it therefore automatically aligns itself in the current direction. As soon as the flow axis of the machine coincides with the direction of the current, there is no more torque.
  • the optimum ignition angle is first determined. This is used for all other alignment processes.
  • two thyristors are ignited only once at a very large ignition angle (e.g. 180 °) and the
  • Amplitude value of the phase currents determined. Due to the large ignition angle, the effective voltage time area on the machine and thus the maximum of the resulting current are very small. If the current amplitude is less than a defined maximum value, the firing angle of the thyristor controller is slowly increased from e.g. Reduced 180 ° and the current amplitude value compared to that with the maximum value. This process is repeated until the amplitude value is sufficiently close to the maximum value. For all further measurements, the amplitude value of the currents must be continuously monitored and, if necessary, the optimal ignition angle must be adjusted again. To simplify matters, it is further assumed that this is not necessary.
  • the machine was able to align itself due to the pulsating currents. However, this does not guarantee that the machine is already fully aligned. For this reason, the thyristors of the SanftStarter are fired several times (the number can be calibrated) with the determined optimal ignition angle, so that in the end it can be assumed that the machine is no longer moving and is therefore aligned. Finally, the course of the current space pointer is recorded during an ignition process and used as a reference course in the subsequent measurements.
  • the motor is thus energized with a current space pointer with a fixed angle and pulsating amplitude, in that the thyristors are ignited by only two motor phases, while the third phase is not ignited.
  • the amplitude of the current space vector can be set using the control angle.
  • the machine If the machine is energized with such a pulsating current space pointer, it applies a torque as long as the flow angle does not match the angle of the pulsating stator current space pointer. In the case of a constant counter torque, this means that the rotor is caused by the counter torque, as far as moved out of the angle of the stator current space until the pulsating torque averaged over a network period corresponds to the counter torque and the machine stops.
  • Fig. 4 shows temporal profiles of the mains voltage U N , the motor current I M , the mechanical rotor angle m , the rotor speed n m and the electrically generated torque M M of a three-phase machine with a soft starter in holding mode with a constant counter torque of lONm, what in the first approximation corresponds to the nominal torque of the three-phase machine.
  • the three-phase machine is subjected to the described current space pointer with a pulsating amplitude.
  • the change in the mechanical rotor angle m can be recognized from the amplitude of the motor current I M which changes between 0 ⁇ t ⁇ 0.1 sec. After reaching the steady state, the amplitude of the motor current I M then remains the same.
  • the evaluation of the motor current I M as an electrical parameter thus enables a determination as to whether the Haltzu status has been reached (ie the rotor L does not rotate) or whether the halt status has not been reached (ie there is a rotation).
  • a voltage induced in the phases of the three-phase machine can be determined as an electrical characteristic variable in order to determine whether or not the rotor L is in the stopped state. If the rotor L is in a static state, no voltage can be measured in the phases of the three-phase machine during the principle-related blocking time of the thyristors of the SanftStarters SS. On the other hand, in the event of a rotation of the rotor caused by the external load, a voltage is induced in the phases of the three-phase machine, the presence and amount of which is determined. The evaluation of the presence and the Changes in the induced voltage over time therefore also allow the conclusion whether the rotor is rotated by the external load or not, without any further sensors.
  • the rotor L of the three-phase machine moves slightly in the stationary state, since the motor is accelerated in one pulse direction in the pulse pauses and in the other direction when energized.
  • the resulting ripple of the mechanical angle is about 6 degrees in the case described.
  • Fig. 5 shows how the time profiles of the mains voltage U N , the motor current I M , the mechanical rotor angle m , the rotor speed n m and the electrically generated torque M M of a three-phase machine with a soft starter in holding mode with a constant counter torque of 12 Nm. Due to the rotation of the rotor L of the three-phase machine caused by the excessive external torque, voltages are induced in the stator, which have a significant influence on the stator currents.
  • a rotation of the rotor L (so-called tilting away) can be recognized and counteracted, for example, by increasing the phase current by adapting the control angle.
  • a mechanical brake can be activated.
  • Fig. 6 shows a flow chart of the method according to the invention.
  • step S1 two of the three phases U, V, W of the three-phase machine M are subjected to current pulses.
  • step S2 at least one electrical characteristic of the three-phase machine M, such as the amplitude of the current pulses and / or induced voltages in the current phases, is determined.
  • step S3 the evaluation of the at least one electrical parameter takes place in order to depend on a value or a temporal course of values of the at least one electrical parameter. see characteristic to conclude that the rotor L is static or rotating. If it is determined in step S4 that there is a rotating state of the rotor L, countermeasures, such as an increase in the amplitude of the current pulses or the application of a mechanical brake, are initiated.
  • the described method is based solely on the measurement values already available in a series device and does not require any additional sensors. It is thus possible to build an existing one

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Abstract

Verfahren zum Halten der Drehstellung eines mit einem externen Moment beaufschlagten Läufers einer permanenterregten Drehstrommaschine mit einem Sanftstarter und Drehstrommaschine Um die in der IEC-Norm 60034 definierte Energieeffizienzklasse IE4 zu erreichen, ist es nötig, permanenterregte Synchron-maschinen direkt am Netz zu betreiben. Da dies nicht ohne weiteres möglich ist, kommen Sanftstarter als kosteneffiziente Lösung in Frage. Die vorliegende Anmeldung beschreibt ein Verfahren, mit dem ein mit einem externen Moment beaufschlagter Läufer einer permanenterregten Drehstrommaschine (M) gehalten werden kann. Bei diesem werden zwei Phasen (U, V, W) mit Strompulsen beaufschlagt und zumindest eine elektrischen Kenngröße der Drehstrommaschine (M) ermittelt. Die zumindest eine elektrische Kenngröße wird ausgewertet, um abhängig von einem Wert oder einem zeitlichen Werteverlauf der zumindest einen elektrischen Kenngröße auf einen statischen oder einen drehenden Zustand des Läufers (L) zu schließen. Wenn festgestellt wird, dass ein drehender Zustand des Läufers (L) vorliegt, werden Gegenmaßnahmen eingeleitet.

Description

Beschreibung
Verfahren zum Halten der Drehstellung eines mit einem exter nen Moment beaufschlagten Läufers einer permanenterregten Drehstrommaschine mit einem Sanftstarter und Drehstrommaschi ne
Eine Drehstrommaschine wandelt mechanische Energie in Dreh strom oder Drehstrom in mechanische Energie um. Sie kann grundsätzlich als elektrischer Generator oder als Elektromo tor betrieben werden. Als Sanftanlauf werden Maßnahmen zur Leistungsbegrenzung beim Einschalten eines elektrischen Gerä tes, beispielsweise eines elektrischen Motors, bezeichnet.
Drehstrommaschinen werden gemäß der IEC-Norm 60034 anhand ih res Wirkungsgrades in verschiedene Energieeffizienzklassen eingeteilt. Gerade im unteren Leistungsbereich bis ca. 20kW lassen sich die gesetzlichen Wirkungsgrade für Elektroantrie be nur schwer einhalten, weshalb vermehrt die Verwendung von Permanentmagneten im Rotor angestrebt wird, z.B. als perma nenterregte Synchronmaschine (PMSM) .
Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung einer solchen permanenterregten Synchronmaschine M, in der Ausführung als Innenpolmaschine mit einem Stator St und einem Läufer L. Der Läufer umfasst einen magnetischen Nordpol N und Südpol S. Der Stator St umfasst Wicklungsstränge U, V, W. Die Darstellung ist lediglich beispielhaft zu verstehen und hat keine ein schränkende Wirkung auf den Schutzbereich des beanspruchten Gegenstands .
Dieser Maschinentyp ermöglicht zwar hohe Energieeffizienzgra de, jedoch sind der Start sowie der Betrieb am starren Netz nicht ohne weiteres möglich.
Um dies zu ermöglichen, kann ein Dämpferkäfig im Läufer der Maschine vorgesehen werden, welcher zwar einen sicheren Hoch- lauf am starren Netz ermöglicht, jedoch das speisende Netz durch sehr hohe Anlaufströme stark belastet.
Ebenso ist der Betrieb an einem geeigneten leistungselektro nischen Stellglied, wie zum Beispiel einem Frequenzumrichter oder Sanftstarter möglich. Hier stellt insbesondere der Ein satz eines SanftStarter, auch Sanftanlaufgerät genannt, eine kostenfreundliche Lösung zum Hochlauf einer permanenterregten Synchronmaschine am starren Netz dar. Ein solcher Sanftstar ter reduziert beim Einschalten (z. B. mittels Phasenan schnitt) die Spannung und erhöht diese langsam bis zur vollen Netzspannung. Ein derartiger Sanftanlauf ist allerdings häu fig nur im lastlosen Zustand oder bei geringer Last möglich. Derzeit ist hierfür jedoch noch keine marktreife Lösung be kannt .
In der Dissertation von Dr. Marcel Benecke (Universität Mag deburg) mit dem Titel "Anlauf von energieeffizienten Syn chronmaschinen mit Drehstromsteller" wird eine Lösung zum Hochlauf der permanenterregten Synchronmaschine an einem Sanftstarter vorgestellt. Das in dieser Arbeit vorgestellte Verfahren benötigt jedoch den aktuellen Polradwinkel der Ma schine, sodass die für die Arbeit verwendeten Motoren mit ei nem entsprechenden Gebersystem ausgestattet werden mussten. Unter einem Geber versteht man Drehzahl- und Lagegeber. Diese erfassen die mechanischen Größen Drehzahl und Lage. Ihre Sig nale sind erforderlich, um die Regler mit Istwerten zu ver sorgen und die vorhandenen Lage- und Drehzahlregelkreise zu schließen. Für die vektoriellen Regelverfahren bei Drehstro mantrieben dienen die Lage- und Drehzahlsignale auch als wichtige Eingangsgröße für den Stromregelkreis. Der Geber er fasst in diesem Fall die Drehzahl und/oder Lage unmittelbar an der Motorwelle.
Das Gebersystem wirkt sich negativ auf die Kosten und die Verfügbarkeit des Systems aus, was derzeit eine SanftStarter lösung für hocheffiziente Motoren unattraktiv macht. Aus die- sen Gründen ist ein Verfahren zum Hochlauf ohne Geber anzu streben .
Das benötigte Verfahren unterscheidet sich zu den im Stand der Technik bekannten geberlosen Verfahren dahingehend, dass es für einen Thyristorsteller und nicht einen Frequenzumrich ter verwendbar sein muss. Somit sind diese bekannten Verfah ren nicht anwendbar.
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Betrieb einer permanenterregten Synchronmaschine ohne Geber anzugeben, das das Halten einer externen Last ermöglicht. Es ist weiterhin Aufgabe der Erfindung, eine permanenterregte Synchronmaschine ohne Geber anzugeben, welche mit dem erfindungsgemäßen Ver fahren arbeitet.
Es wird ein Verfahren zum Halten der Drehstellung eines mit einem externen Moment beaufschlagten Läufers einer permanent erregten Drehstrommaschine mit einem Sanftstarter vorgeschla gen. Das externe Moment ist insbesondere ein konstant an dem Läufer (auch Rotor genannt) anliegendes Moment einer Last, z.B. eines Gewichts der Last oder eines Trägheitsmoments ei ner durch den Läufer bewegten Einrichtung.
Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte: Sl) Beaufschla gen zweier Phasen der Drehstrommaschine mit Strompulsen; S2) Ermittlung zumindest einer elektrischen Kenngröße der Dreh strommaschine; S3) Auswertung der zumindest einen elektri schen Kenngröße, um abhängig von einem Wert oder einem zeit lichen Werteverlauf der zumindest einen elektrischen Kenngrö ße auf einen statischen oder einen drehenden Zustand des Läu fers zu schließen; und S4) wenn in Schritt S3 festgestellt wird, dass ein drehender Zustand des Läufers vorliegt, Ein leiten von Gegenmaßnahmen.
Das Beaufschlagen zweier Phasen der Drehstrommaschine mit Strompulsen resultiert in einem Stromraumzeiger mit festem Winkel. Wird die Drehstrommaschine mit einem solchen pulsie- renden Stromraumzeiger bestromt, bringt sie ein Drehmoment auf, solange der Flusswinkel des Rotorflusses nicht mit dem Winkel des pulsierenden Ständerstromraumzeigers überein stimmt. Im Falle des durch die externe Last erzeugten, insbe sondere konstanten, Gegenmoments bedeutet dies, dass sich der Rotor, bedingt durch das Gegenmoment, soweit aus dem Winkel des Ständerstromraumzeigers herausbewegt bis das über eine Netzperiode gemittelte pulsierende Drehmoment dem Gegenmoment entspricht und die Drehstrommaschine bzw. der Läufer steht.
Durch das, vorzugweise kontinuierliche, Bestromen der zwei Motorphasen mit Hilfe des SanftStarters wird somit immer dann ein Gegenmoment erzeugt, wenn der Läufer aus der Ruheposition ausgelenkt wird.
Das Verfahren ermöglicht das, insbesondere kurzfristige, Hal ten einer Wellenposition einer mit dem Läufer drehfest ver bundenen Welle. Dies kann z.B. bei Hebevorgängen genutzt wer den, wenn eine mechanische Bremse geöffnet wird, aber noch nicht sicher vollständig gelöst ist. Hier kann die Welle kurzfristig elektrisch gehalten werden, um ein sicheres Öff nen der mechanischen Bremse zu ermöglichen. Ebenso kann das Verfahren dazu genutzt werden, eine mit dem Läufer drehfest verbundene Welle, deren Drehzahl auf Null gesenkt wird, vor dem Eingreifen einer mechanischen Bremse zu halten. Hierdurch kann der Verschleiß der mechanischen Bremse reduziert werden, da die Betätigung der mechanischen Bremse erst bei Stillstand des Läufers bzw. der Welle erfolgt.
Das Verfahren ermöglicht es somit den Übergang beim Öffnen oder Schließen der mechanischen Bremse zu verbessern. Das Verfahren kann bei der Bewegung von vertikalen oder horizon talen Lasten, z.B. bei einem Aufzug, einem Förderband oder einem Palettenförderer, zum Einsatz kommen.
Um auf einen statischen oder einen drehenden Zustand des Läu fers während des Haltens zu schließen, wird als elektrische Kenngröße die Amplitude der Strompulse ermittelt. Befindet sich der Läufer in einem statischen Zustand, so verändert sich die Amplitude der Strompulse nicht. Wird der Läufer hin gegen durch die externe Last gedreht, so macht sich dies in einer Veränderung der Stromamplitude bemerkbar. Die Auswer tung der zeitlichen Veränderung der Amplitude der Strompulse ermöglicht somit ohne weitere Sensorik den Rückschluss, ob der Läufer durch die externe Last gedreht wird oder nicht.
Alternativ oder zusätzlich wird als elektrische Kenngröße ei ne in den Phasen der Drehstrommaschine induzierte Spannung ermittelt. Befindet sich der Läufer in einem statischen Zu stand, so kann während der Prinzip bedingten Sperrzeit der Thyristoren des SanftStarters keine Spannung in den Phasen der Drehstrommaschine gemessen werden. Andererseits wird bei einer durch die externe Last hervorgerufenen Drehung des Läu fers in den Phasen der Drehstrommaschine eine Spannung indu ziert, deren Vorhandensein und Höhe ermittelt wird. Die Aus wertung des Vorhandenseins und der zeitlichen Veränderung der induzierten Spannung ermöglicht somit ebenfalls ohne weitere Sensorik den Rückschluss, ob der Läufer durch die externe Last gedreht wird oder nicht.
Die Ermittlung der elektrischen Kenngröße erfolgt bevorzugt nach Ablauf einer vorgegebenen Zeit, in welcher das „Ein schwingen" des Systems erfolgt. Die vorgegebene Zeit kann z.B. zwischen 50 msec und 200 msec betragen.
Beide genannten Verfahren können miteinander kombiniert wer den, um die Sicherheit der Entscheidung über einen statischen oder drehenden Läufer zu erhöhen.
Das Einleiten von Gegenmaßnahmen in Schritt S4), d.h. bei der Feststellung einer durch die externe Last hervorgerufenen Drehung des Läufers, umfasst das Erhöhen der Amplitude der Strompulse. Dadurch kann dem extern durch die Last erzeugten Moment entgegengewirkt werden, so dass das Halten der Last ohne mechanische Bremse ermöglicht oder zumindest versucht wird . Das Einleiten von Gegenmaßnahmen in Schritt S4) kann alterna tiv die Ausgabe eines Steuersignals zum Schließen der mecha nischen Bremse umfassen.
Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass als Schritt Sla zwischen Schritt S1 und S2 die Ausgabe eines Steuersignals zum Lösen der mechanischen Bremse erfolgt. Diese Ausgestal tung ist zweckmäßig, wenn der Läufer vom Stillstand in einen drehenden Zustand übergehen soll, z.B. beim Anfahren eines Aufzugs oder Förderbands.
Eine andere Ausgestaltung sieht vor, dass die Schritte S1 bis S4 ausgeführt werden, wenn bei sich drehendem Läufer eine vorgegebene Endlage detektiert wird. Diese Ausgestaltung ist zweckmäßig, wenn der Läufer von einem drehenden Zustand in den Stillstand übergehen soll, z.B. beim Abbremsen eines Auf zugs oder Förderbands .
Um das Halten der Last nach dem Erreichen des Stillstands zu verlässig sicher zu stellen, kann, wenn in Schritt S3 festge stellt wird, dass ein statischer Zustand des Läufers vor liegt, ein Steuersignal zum Schließen der mechanischen Bremse ausgegeben werden.
Es wird ferner eine Steuereinrichtung für eine Drehstromma schine mit Sanftstarter vorgeschlagen, die sich dadurch aus zeichnet, dass diese dazu eingerichtet ist, das hierin be schriebene Verfahren durchzuführen. Hiermit sind die gleichen Vorteile verbunden wie diese in Verbindung mit dem erfin dungsgemäßen Verfahren beschrieben wurden.
Weiter wird eine Drehstrommaschine mit Sanftstarter vorge schlagen. Diese ist zur Durchführung des hierin beschriebenen Verfahrens ausgebildet, wodurch ein Halten der Drehstromma schine ermöglicht ist.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Figuren näher er läutert : Fig. 1 einen Schnitt durch eine beispielhafte Drehstrom- Maschine;
Fig. 2 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen
Aufbaus ;
Fig. 3 ein Diagramm der Stromrichtung mit diskreten Strom raumzeigern;
Fig. 4 zeitliche Verläufe der Netzspannung, des Motor
stroms, des mechanischen Rotorwinkels, der Rotor drehzahl und des elektrisch erzeugten Drehmoments einer Drehstrommaschine mit Sanftstarter im Halte betrieb bei einem konstanten Gegenmoment;
Fig. 5 zeitliche Verläufe der Netzspannung, des Motor
stroms, des mechanischen Rotorwinkels, der Rotor drehzahl und des elektrisch erzeugten Drehmoments einer Drehstrommaschine mit Sanftstarter im Halte betrieb bei einem konstanten Gegenmoment, wenn das Gegenmoment zu einer Verdrehung des Rotors führt; und
Fig. 6 einen Ablaufplan des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Figur 2 zeigt den prinzipiellen gewünschten Aufbau der als permanenterregte Synchronmaschine M ausgebildeten Drehstrom maschine mit Sanftstarter SS (Z.B. Sirius-SanftStarter) ohne Geber und mit Geber G links. Wie eingangs beschrieben, kann die Drehstrommaschine z.B. als eine Innenpolmaschine mit ei nem Stator St und einem Läufer L ausgebildet sein. Der Läufer L umfasst einen magnetischen Nordpol N und Südpol S. Der Sta tor St umfasst Wicklungsstränge U, V, W. Der Läufer L kann z.B. drehfest (oder über ein Getriebe) mit einer nicht darge stellten Welle verbunden sein, welche von einer externen Last mit einem, insbesondere konstanten, Moment beaufschlagt ist. Mit Hilfe des nachfolgend beschriebenen Verfahrens kann die Last durch Ansteuerung der Drehstrommaschine M mittels des SanftStarters SS gehalten werden. Das Verfahren kann bei der Bewegung von vertikalen oder horizontalen Lasten, z.B. bei einem Aufzug, einem Förderband oder einem Palettenförderer, zum Einsatz kommen. Das Verfahren ermöglicht einen verbesser ten Übergang beim Öffnen oder Schließen einer mechanischen Bremse .
Das nachfolgend genauer beschriebene Verfahren nutzt ein in der WO 2018/072810 Al beschriebenes Verfahren der Anmelderin, mit dem mit Hilfe des SanftStarters SS ein Stromraumzeiger mit festem Winkel und pulsierender Amplitude erzeugt werden kann, um ein Drehmoment aufzubringen, das in der Größe dem der externen Last entspricht und diesem entgegenwirkt.
Hierzu wird die Maschine mit pulsenden Strömen in definierter Richtung beaufschlagt und durch diese in eindeutiger Richtung ausgerichtet. Ebenso wird der Stromverlauf analysiert, sodass ermittelt werden kann, ob sich die Maschine überhaupt bewegt. Im Folgenden werden die einzelnen Schritte genauer erläutert.
Während des gesamten Ablaufs werden immer lediglich zwei Ven tile, bestehend aus zwei antiparallelen Thyristoren des
SanftStarters , gezündet, sodass nur zwei Motorphasen strom durchflossen sind. Die dritte Motorphase führt keinen Strom, da das entsprechende Ventil des SanftStarters SS sperrt. Fol gerichtig gilt für diesen Zustand, dass die beiden strom durchflossenen Phasen dem Betrage nach denselben Strom füh ren, jedoch mit unterschiedlichen Vorzeichen. Dies hat zur Folge, dass der Stromraumzeiger in einem ständerfesten Koor dinatensystem lediglich auf drei festen Achsen verlaufen kann und die Stromraumzeigerlänge sich zeitabhängig ändert.
Berücksichtigt man die Stromrichtung, sind insgesamt sechs (6) diskrete Stromraumzeiger möglich, wie die strichlierten Linien in Fig. 3 zeigen. In Quadrant I sind die Phasen V und W gezündet, in Quadrant II die Phasen U und W, und in Quad rant IV die Phasen U und V.
Durch den Stromfluss in eine der sechs möglichen Richtungen wird ein ebenso ausgerichtetes Feld in der Maschine aufge baut. Ist die Flussachse der Maschine nicht in dieser durch den Strom determinierten Richtung, entsteht ein Drehmoment und die Maschine beginnt sich in Richtung des Ständerstrom raumzeigers zu drehen - sie richtet sich also von alleine in Stromrichtung aus. Sobald die Flussachse der Maschine mit der Stromrichtung zusammenfällt, entsteht kein Drehmoment mehr.
Wenn sichergestellt werden soll, dass dem externen Moment ein maximales Drehmoment entgegengesetzt wird, wird zunächst der optimale Zündwinkel ermittelt. Dieser wird bei allen weiteren Ausrichtvorgängen verwendet.
Hierfür werden zwei Thyristoren bei einem sehr großen Zünd winkel (z.B. 180°) lediglich einmalig gezündet und der
Amplitudenwert der Phasenströme ermittelt. Durch den großen Zündwinkel sind die an der Maschine wirksame Spannungszeit fläche und damit das Maximum des resultierenden Stroms sehr gering. Ist die Stromamplitude geringer als ein definierter Maximalwert, wird der Zündwinkel des Thyristorstellers lang sam von z.B. 180° verringert und der Stromamplitudenwert wie der mit dem Maximalwert verglichen. Dieser Vorgang wird so lange wiederholt, bis der Amplitudenwert ausreichend nahe am Maximalwert liegt. Bei allen weiteren Messungen muss der Amplitudenwert der Ströme kontinuierlich überwacht und gege benenfalls der optimale Zündwinkel nochmals angepasst werden. Vereinfachend wird im Weiteren vorausgesetzt, dass dies nicht nötig ist.
Eine Berechnung kann dabei wie folgt aussehen:
Phase U und V werden gezündet und der Strom in Phase U ist positiv. So ist der Winkel im Vektor -30°. Bei Anwendung der bekannten Clarke/Park Transformation mit dem elektrischen Winkel der Maschine f kann der den Drehmoment bildende Strom Iq berechnet werden:
Figure imgf000012_0001
Folglich wird das Drehmoment berechnet als (Ld = Lq)
Figure imgf000012_0002
Drehmoment wird 0 wenn der elektrische Winkel = -30° ist.
Während der Ermittlung des optimalen Zündwinkels hat sich die Maschine aufgrund der pulsierenden Ströme bereits ausrichten können. Es ist jedoch hiermit noch nicht sichergestellt, dass die Maschine bereits vollständig ausgerichtet ist. Aus diesem Grund werden die Thyristoren des SanftStarters noch mehrmals (die Anzahl ist kalibrierbar) mit dem ermittelten optimalen Zündwinkel gezündet, sodass am Ende davon ausgegangen werden kann, dass sich die Maschine nicht mehr bewegt und somit aus gerichtet ist. Abschließend wird der Verlauf des Stromraum zeigers während eines Zündvorgangs aufgezeichnet und bei den nachfolgenden Messungen als Referenzverlauf verwendet.
Der Motor wird also mit einem Stromraumzeiger mit festem Win kel und pulsierender Amplitude bestromt, indem die Thyristo ren lediglich zweier Motorphasen gezündet werden, während die dritte Phase nicht gezündet wird. Anhand des Ansteuerwinkels kann die Amplitude des Stromraumzeigers eingestellt werden.
Wird die Maschine mit einem solchen pulsierenden Stromraum zeiger bestromt, bringt sie ein Drehmoment auf, solange der Flusswinkel nicht mit dem Winkel des pulsierenden Ständer stromraumzeigers übereinstimmt. Im Falle eines konstanten Ge genmoments bedeutet dies, dass sich der Rotor, bedingt durch das Gegenmoment, soweit aus dem Winkel des Ständerstromraum zeigers herausbewegt, bis das über eine Netzperiode gemittel te pulsierende Drehmoment dem Gegenmoment entspricht und die Maschine steht.
Fig. 4 zeigt zeitliche Verläufe der Netzspannung UN, des Mo torstroms IM, des mechanischen Rotorwinkels m, der Rotor drehzahl nm und des elektrisch erzeugten Drehmoments MM einer Drehstrommaschine mit Sanftstarter im Haltebetrieb bei einem konstanten Gegenmoment in Höhe von lONm, was in erster Nähe rung dem Nennmoment der Drehstrommaschine entspricht. Bei t = 0 wird die Drehstrommaschine mit dem beschriebenen Stromraum zeiger mit pulsierender Amplitude beaufschlagt. Der mechani sche Winkel ändert sich innerhalb von t = 0,1 sec = 100ms auf den stationären Endwert, bei dem die Drehstrommaschine im zeitlichen Mittel das notwendige Gegenmoment aufbringt.
Die Änderung der mechanischen Rotorwinkels m ist erkennbar an der sich im Zeitraum zwischen 0 < t < 0,1 sec ändernden Amplitude des Motorstroms IM. Ab dem Erreichen des stationä ren Zustands bleibt die Amplitude des Motorstroms IM dann gleich. Die Auswertung des Motorstroms IM als elektrische Kenngröße ermöglicht damit eine Bestimmung, ob der Haltezu stand erreicht ist (d.h. der Läufer L dreht sich nicht) oder ob der Haltezustand nicht erreicht ist (d.h. eine Drehung liegt vor) .
Alternativ oder zusätzlich kann als elektrische Kenngröße ei ne in den Phasen der Drehstrommaschine induzierte Spannung ermittelt werden, um zu bestimmen, ob der Haltezustand des Läufers L erreicht ist oder nicht. Befindet sich der Läufer L in einem statischen Zustand, so kann während der prinzipbe dingten Sperrzeit der Thyristoren des SanftStarters SS keine Spannung in den Phasen der Drehstrommaschine gemessen werden. Andererseits wird bei einer durch die externe Last hervorge rufenen Drehung des Läufers in den Phasen der Drehstromma schine eine Spannung induziert, deren Vorhandensein und Höhe ermittelt wird. Die Auswertung des Vorhandenseins und der zeitlichen Veränderung der induzierten Spannung ermöglicht somit ebenfalls ohne weitere Sensorik den Rückschluss, ob der Läufer durch die externe Last gedreht wird oder nicht.
In der Praxis bewegt sich im stationären Zustand der Läufer L der Drehstrommaschine leicht, da der Motor in den Pulspausen durch das Gegenmoment in die eine und bei Bestromung in die andere Richtung beschleunigt wird. Der hierdurch entstehende Rippel des mechanischen Winkels beträgt im beschriebenen Fall ca. 6 Grad.
Ist das externe Drehmoment bei gegebenem Aussteuerwinkel zu hoch, kann der Motor die Last nicht mehr halten und kippt. Diese Situation ist in Fig. 5 dargestellt. Fig. 5 zeigt wie der zeitliche Verläufe der Netzspannung UN, des Motorstroms IM, des mechanischen Rotorwinkels m, der Rotordrehzahl nm und des elektrisch erzeugten Drehmoments MM einer Drehstromma schine mit Sanftstarter im Haltebetrieb bei einem konstanten Gegenmoment in Höhe von 12Nm. Aufgrund der durch das zu hohe externe Moment verursachten Drehung des Läufers L der Dreh strommaschine werden im Ständer Spannungen induziert, die maßgeblichen Einfluss auf die Ständerströme haben. Anhand der Abweichungen des zeitlichen Verlaufs der Stromamplituden von dem erwarteten Stromverlauf kann ein Drehen des Läufers L (sog. Wegkippen) erkannt und beispielsweise mit einer Erhö hung des Phasenstromes durch Anpassung des Ansteuerwinkels entgegengewirkt werden. Alternativ kann eine mechanische Bremse aktiviert werden.
Fig. 6 zeigt einen Ablaufplan des erfindungsgemäßen Verfah rens. In Schritt S1 werden zwei der drei Phasen U, V, W der Drehstrommaschine M mit Strompulsen beaufschlagt. In Schritt S2 erfolgt die Ermittlung zumindest einer elektrischen Kenn größe der Drehstrommaschine M, wie z.B. der Amplitude der Strompulse und/oder von induzierten Spannungen in den Strom phasen. In Schritt S3 erfolgt die Auswertung der zumindest einen elektrischen Kenngröße, um abhängig von einem Wert oder einem zeitlichen Werteverlauf der zumindest einen elektri- sehen Kenngröße auf einen statischen oder einen drehenden Zu stand des Läufers L zu schließen. Wenn in Schritt S4 festge stellt wird, dass ein drehender Zustand des Läufers L vor liegt, werden Gegenmaßnahmen, wie z.B. eine Erhöhung der Amplitude der Strompulse oder das Schließen einer mechani schen Bremse eingeleitet.
Das beschriebene Verfahren basiert alleine auf den in einem Seriengerät bereits vorhandenen Messwerten und benötigt keine zusätzliche Sensorik. Es ist somit möglich, ein bestehendes
Produkt alleine durch eine Softwarelösung für den Betrieb ei nes IE4-Motors zu erweitern.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Halten der Drehstellung eines mit einem ex ternen Moment beaufschlagten Läufers einer permanenterregten Drehstrommaschine (M) mit einem SanftStarter, mit den Schrit ten :
51) Beaufschlagen zweier Phasen (U, V, W) der Drehstromma schine (M) mit Strompulsen;
52) Ermittlung zumindest einer elektrischen Kenngröße der Drehstrommaschine (M) ;
S3 Auswertung der zumindest einen elektrischen Kenngröße, um abhängig von einem Wert oder einem zeitlichen Werteverlauf der zumindest einen elektrischen Kenngröße auf einen stati schen oder einen drehenden Zustand des Läufers (L) zu schlie ßen;
S4) wenn in Schritt S3 festgestellt wird, dass ein drehender Zustand des Läufers (L) vorliegt, Einleiten von Gegenmaßnah men .
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als elektrische Kenngröße die Amplitude der Strompulse ermit telt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als elektrische Kenngröße eine in den Phasen (U, V, W) der Drehstrommaschine (M) induzierte Spannung ermittelt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge kennzeichnet, dass das Einleiten von Gegenmaßnahmen in
Schritt S4) das Erhöhen der Amplitude der Strompulse umfasst.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge kennzeichnet, dass das Einleiten von Gegenmaßnahmen in
Schritt S4) die Ausgabe eines Steuersignals zum Schließen ei ner mechanischen Bremse umfasst.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge kennzeichnet, dass als Schritt Sla) zwischen Schritt Sl und S2 die Ausgabe eines Steuersignals zum Lösen der mechanischen Bremse erfolgt.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge kennzeichnet, dass die Schritte S1 bis S4 ausgeführt werden, wenn bei sich drehendem Läufer (L) eine vorgegebene Endlage detektiert wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass, wenn in Schritt S3 festgestellt wird, dass ein statischer Zu stand des Läufers (L) vorliegt, ein Steuersignal zum Schlie ßen der mechanischen Bremse ausgegeben wird.
9. Steuereinrichtung für eine Drehstrommaschine (M) mit
SanftStarter, dadurch gekennzeichnet, dass diese dazu einge richtet ist, das Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8 durchzuführen .
10. Drehstrommaschine mit SanftStarter, dadurch gekennzeich net, dass ein Halten der Drehstrommaschine gemäß dem Verfah ren nach einem der Patentansprüche 1 bis 8 erfolgt.
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